黃土高原不同下墊面小流域徑流特征1)

李慧敏 張建軍 徐佳佳 王清玉

(北京林業大學，北京，100083)

黃土高原因其特殊的地質地貌類型以及半干旱的氣候特點，在長期的農耕影響下已成為世界上水土流失、生態環境最脆弱的地區之一。嚴重的水土流失不僅造成土地資源的損失和浪費，水資源也成為限制該區生態環境建設和經濟發展的瓶頸。為了治理黃土高原的水土流失、改善生態環境，幾十年來在黃土高原開展了大規模的水土保持植被恢復與重建，形成了一批具有高效降低水土流失功能的示范區，如位于山西省吉縣的蔡家川流域自1990年開始，實施了植被建設工程，經過20 a的建設，森林覆蓋率已達65%，形成了良好的植被體系，成為黃土高原防治水土流失植被恢復的典型示范區。這些植被在改善生態環境、防治水土流失方面起到了積極作用，但如何定量評價植被的生態水文功能仍然是目前亟待開展的課題。

森林與水的關系是目前的熱點問題之一，在干旱半干旱氣候區的黃土高原進行大面積的植被恢復對流域水文過程具有怎樣的影響，是正確評價該區植被建設的關鍵問題之一，也是在黃土高原合理配置植被建設、調控植被結構的基礎。

幾十年來，許多研究者已對徑流與植被的關系進行了研究，取得了大量的研究成果。Troendle［1］在伏爾加河上游的流域內發現隨著流域內森林面積的增加，年徑流量和夏季、秋季、冬季的徑流量均增加，而春季徑流量減少。石培禮等［2］發現森林植被變化對森林水文過程的影響將會改變水量平衡的各個環節，影響森林的水分狀況和河川徑流。史玉虎等［3］的研究結果表明小流域徑流量與同期降水量呈線性正相關，在小流域尺度上森林覆蓋率每增加1%，汛期徑流深減少6.95 mm。趙西寧等［4］證明良好的植被覆蓋度可以顯著減緩坡面降雨徑流損失。馬雪華［5］也觀察到在四川省西部米亞羅高山林區、岷江上游冷杉林集水區內，采伐森林會使年徑流量減少。楊文治等［6］的研究結果表明土壤主要通過影響土壤入滲速率來間接影響徑流，具有明顯的地域差異。吳普特等［7］認為人類活動通過工程措施、生物措施和耕作措施改變降雨徑流平衡要素，改變蒸發與降雨徑流的比例，進而對水循環產生影響。袁藝［8］通過研究證明隨著人類活動的加劇，土地利用的變化使徑流量趨于增大;降雨強度越大，前期土壤濕潤程度越大，土地利用變化對徑流量的影響就越小。顧慰祖等［9］利用環境同位素進行研究后發現，徑流中有相當一部分是非本次降水形成的。可見，各位研究人員在各自的研究領域取得的研究結果并不完全一致，甚至有相互矛盾的結論。另外在小流域尺度上定量分析不同植被覆蓋類型條件下徑流的研究還有待深入，因此，在黃土高原地區以不同植被覆蓋的小流域為對象，利用長期水文觀測資料進行生態水文效益研究，對正確認識和評價黃土高原植被建設具有重要意義。

1 研究區概況

研究區蔡家川流域位于山西省黃土高原西南部的吉縣境內，屬北京林業大學教學科研試驗場。其地理坐標為北緯36°14＇27″～36°18＇23″，東經 110°39＇45″～ 110°47＇45″，為典型的黃土殘塬、梁峁侵蝕地形，地勢西高東低，東西狹長，流域大體上為由西向東走向，長約12.15 km，面積約39.33 km2，海拔在900～1 513 m，平均海拔1 172 m。該流域處于暖溫帶半濕潤半干旱落葉林與森林草原地帶，屬暖溫帶大陸性氣候，具有典型的黃土高原的氣候特征，年平均降水量為575.9 mm，降水主要集中在6—9月，約占全年降水量的80.6%，最大降雨量為828.9 mm，最小年降雨量為277.7 mm，最大降水變率為43.11%，降雨年際變化大。流域內土壤為碳酸鹽褐土，呈微堿性，基本為黃土母質，土質均勻，顏色為灰棕—灰褐—褐色。流域內森林覆蓋率約為65%，天然植被主要為側柏(Platycladus orientalis)、白樺(Betula platyphylla)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)、遼東櫟(Quercus liaotungensisKoidz)、山楊(Populus davidiana)、丁香(Syzygium aromaticum)、沙棘(Hippophae rhamnoidesLinn.)等，人工植被主要為油松(Pinus tabulaeformis)、側柏、刺槐(Robinia pseudoacacia)等，其中，油松是針葉樹中的優勢種，遼東櫟是闊葉樹中的優勢種。

2 研究方法

在山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站的蔡家川流域內選擇劉家凹小流域(多林流域)和井溝小流域(少林流域)作為研究對象，利用Quickbird遙感影像進行流域土地利用調查，利用地理信息系統分析流域地形特征參數。研究流域的基本情況見表1。從表1可見，兩個流域除森林覆蓋率不同外，其他特征基本相近。

表1 各流域基本情況

于2004至2009年在2個流域內分別布設數字式長期自記雨量計測定降雨過程，該雨量計每5 min記錄1次降雨數據，觀測數據自動保存在數據存儲器中，數據采集后利用Excel表分別統計10、30、60 min雨強和降雨量，并繪制降雨過程線。同時在2個流域出口處修建的復合型量水堰上安置超聲波數字式水位計，以每5 min測定1次水位的頻率觀測水位變化過程，觀測的數據自動保存在數據存儲器中。數據采集后利用Excel表通過利用標定好的水位流量關系曲線計算徑流量和徑流過程。

本研究利用2004—2009年取得的降雨徑流觀測資料，以降雨量、降雨強度、徑流總量、地表徑流量、基流量等為主要指標分析不同植被覆蓋率條件下的降雨徑流關系。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋率對徑流的影響

3.1.1 植被覆蓋率對年總徑流的影響

表2是2004至2009年劉家凹小流域(多林流域)和井溝小流域(少林流域)年徑流深統計表。從表2可見，多林的劉家凹流域的年總徑流深均小于少林的井溝流域，后者6 a間的平均徑流深是前者的3.21倍。兩流域地形地貌特征相似，降雨條件相似，但森林覆蓋率與土地利用格局不同，這是其徑流量有差別的主要原因。

劉家凹小流域內有大量次生林和人工林，次生林主要分布在流域上游和侵蝕溝中，占整個森林面積的67.29%，人工林主要分布在梁峁坡上，占整個森林面積的32.71%，是典型的森林流域，其植被覆蓋率高達82.7%，年均徑流深只有2.55 mm，徑流系數(徑流量與降雨量之比)為0.74%。這是因為森林植被的枝葉可有效攔截部分降水，使到達地面的有效降水減少;同時植被的枯枝落葉在吸收降水的同時，阻延了地表徑流，增加了徑流入滲;枯枝落葉和植被根系改善土壤的物理性質，大部分降水以土壤水或地下水的形式貯存于土壤中，從而起到攔蓄地表徑流和蓄水的功能。而井溝流域內主要為天然荒草地和農田，以農業用地和牧業用地為主，其植被覆蓋率只有15.2%，觀測期間的年均徑流深為8.18 mm，徑流系數為2.16%，徑流深和徑流系數遠大于高森林覆蓋率的劉家凹流域。這是因為井溝流域內人為活動頻繁，仍有牛、羊放牧活動，荒草坡上形成了網狀的羊腸小道，這些羊腸小道土地堅硬、滲透能力弱、降水時極易形成徑流，從而造成較大的水土流失。國內的一些研究也表明［10］，隨著森林植被覆蓋率的增大，流域徑流量減小，兩者呈負相關關系，尤其在干旱半干旱地區，這種作用比較明顯。這與本研究結果一致。

表2 各流域全年平均徑流深統計

3.1.2 植被覆蓋率對枯水期徑流的影響

森林對枯水期徑流的影響表現在增加枯水期流量［11］，枯水期徑流主要是由流域下墊面所蓄降水排泄形成的［12］。黃土高原每年降雨均集中在6—9月，故將每年6—9月定義為雨季，10月—翌年5月則定義為枯季。枯季時降雨普遍較少，徑流量有差異的原因主要是下墊面蓄水的不同，即枯季總徑流占年總徑流量的比重可以反映下墊面對枯水期徑流的影響。對表1中數據進行分析可知，雖然少林的井溝流域的年總徑流量、枯季徑流量顯著大于多林的劉家凹流域，但劉家凹流域的枯季徑流深占年總徑流深的比例為16.2%，而井溝流域的枯季徑流深占年總徑流深的比例為12.5%，說明植被對徑流量的調節控制作用較好，可將雨季時雨水儲存而在枯季時釋放，如此就使雨季與枯季徑流量得以平衡。

3.2 降雨要素對徑流的影響

3.2.1 降雨量對徑流的影響

圖1和圖2分別是劉家凹小流域、井溝小流域的降雨徑流關系圖。兩個流域內降雨量與徑流量的變化趨勢一致，降雨量增加時，徑流量也隨之增大，降雨量與徑流量呈正相關關系，多林流域、少林流域的降雨量與徑流深的相關系數分別為0.839 4、0.850 3，二者的關系式為:

R多林流域=0.006 8P－0.046 9，r2=0.704 5，n=101;

R少林流域=0.012 4P－0.087 1，r2=0.723 0，n=101。

式中，R為徑流深(mm)，P為降雨量(mm)，r2為線性擬合度，n為樣本數。

圖1 劉家凹流域降雨量與徑流深關系圖

可見，兩個流域降雨量與徑流深的相關關系可用線性曲線來很好地描述，擬合度均達到了0.7以上。降雨量與徑流深關系的斜率可以反映徑流量隨降雨量增加的比率，斜率越大，說明徑流增加越快，下墊面涵養較大雨水的作用越弱。多林流域的斜率為0.006 8，而少林流域的斜率為0.014 2，后者為前者的1.82倍，可見少林流域的斜率明顯大于多林流域，可以認為，隨著森林覆蓋率的增加，流域對徑流的調節作用逐漸加強。

圖2 井溝流域降雨量與徑流深關系圖

3.2.2 不同雨型下降雨要素對徑流的影響

自20世紀70年代以來，關于雨型的分類方法眾說紛紜，廖荃蓀等［13］將場降雨分為2類，許力等［14］將雨型分為3類，王紹武等［15］將雨型分為6類，前蘇聯的包高馬佐娃將雨型分為7類［16］，其中前2種分型方法比較粗略，后1種分型方法較細致［17］，但是對于干旱區的降雨，分型太細反而不適合。王萬忠等［18］以及張建軍等［19］研究發現，可根據降雨徑流的各個指標將黃土區的降雨經統計分析后分為3類:A類短時局地雷暴雨，B類鋒面性降雨夾有雷暴性質的暴雨，C類長歷時鋒面降雨。

本研究將蔡家川小流域2004—2009年的降雨按照上述分型方法分為3類，如表3。結果表明，A型雨占總降雨次數的59.38%，占總降雨量的48.26%;B型雨占總降雨次數的32.29%，占總降雨量的38.11%;C型雨占總降雨次數的8.33%，占總降雨量的13.62%。可以看出，在蔡家川小流域中，主要雨型為A型短時局地雷暴雨，降雨特點為:降雨歷時短，降雨量小，降雨強度大，10、30、60 min降雨量小但雨強大。

表3 不同雨型下不同下墊面的降雨徑流統計

從表3還可看出，兩流域平均降雨量、平均降雨歷時均相差不大，而3種類型中井溝流域的平均徑流系數明顯大于劉家凹流域的相應指標，這仍然是由兩者植被覆蓋率的差異性造成的。植被覆蓋率較高的劉家凹流域中，大部分雨水接觸到地面后還未轉化為徑流，就已經通過植物截留、枯枝落葉層吸收、填洼或地表蒸散發而喪失，剩余的雨水少，故徑流量較小。進一步計算可知，A、B、C型雨條件下，井溝流域的平均徑流系數分別是劉家凹流域的1.5、1.9、2.0倍，即C型雨下，兩者差別最大，然后依次為B型、A型。究其原因，由于A型雨雖雨強大，但降雨歷時短，降雨量沒有足夠的雨量蓄積，可以形成徑流的雨量很少，故徑流最少;而C型雨雖雨強較小，但其降雨時間長，隨著時間的推移，累積降雨量可觀，這樣就可以將雨水一點點地滲透，從而形成較大的徑流。

表4為不同降雨類型下徑流深與降雨要素間的相關系數統計表，從表4可見，A型降雨條件下劉家凹流域降雨要素與徑流深相關系數最大的因子為降雨量，其次為降雨量與60 min最大雨強、60 min最大雨強;井溝流域降雨要素與徑流深相關系數最大的因子為降雨量，其次為降雨量與平均雨強。兩流域徑流深與降雨量的相關系數分別為0.86和0.82，且降雨量越大，徑流深越大，二者關系式為:

劉家凹流域，徑流深Rl=0.004 6P－0.023 3，r2=0.741 3;

井溝流域，徑流深Rj=0.006 3P－0.023 5，r2=0.678 9。式中，R為徑流深(mm)，P為降雨量(mm)，r2為線性擬合度。

可見，井溝流域回歸方程的斜率為0.006 3，明顯大于劉家凹流域的0.004 6，兩者比例為1.37∶1，說明井溝流域徑流深隨降雨量增加較快，森林對土地的涵養作用較大。

B型降雨條件下劉家凹流域的徑流深與降雨量、降雨量和平均雨強的乘積、降雨量和60 min雨強的乘積相關性均較大，而井溝流域的徑流深與60 min雨強、降雨量和平均雨強的乘積、降雨量和60 min雨強的乘積均具有較大的相關性。兩流域的徑流深均與降雨量和60 min最大雨強的組合(乘積)相關性最大，二者關系式為:

Rl=66.865PI60－0.473 6，r2=0.772 8;

Rj=23.433PI60－0.318 7，r2=0.714 6。

式中，R為徑流深(mm)，P為降雨量(mm)，I60為60 min雨強(mm·min－1);r2為線性擬合度。

表4 徑流深與各降雨要素的相關系數統計

C型降雨條件下劉家凹流域的徑流深大小主要取決于降雨量、降雨歷時，徑流深與兩者的相關系數均為0.86;而井溝流域的徑流深與降雨量、降雨量和平均雨強的乘積、降雨量和60 min雨強的乘積均具有很好的相關性，相關系數接近于1。由于此組數據較少，故不再描述其回歸方程式。

4 討論

產生徑流量的大小，反映了不同土地利用類型保持水土的能力［20］。相對來說，劉家凹流域(多林流域)森林覆蓋率高，而植被可改善土壤的物理性質，土壤的滲透能力和土壤蓄水能力均比較強，降水大部分以土壤水或地下水的形式貯存在土壤中，可起到攔截或減緩地表徑流的作用，有效地截留一部分地表徑流，蓄水能力較強，徑流量和地表徑流量都較小。范世香［21］也認為森林植被越好，穩定下滲率越大，地下徑流量也就越多，揭示了森林植被增強了土壤滲透能力。所以如何調節植物截留雨水量，使更多的雨水進入土壤而用于林木生長，是干旱區在造林工作中常考慮的問題。而井溝流域(少林流域)長期受地表沖刷和侵蝕，地形支離破碎，土質較差，土壤肥力低，而且長期受當地人類活動及牲畜的干擾，更加改變了地表水的分配，生態環境退化，故水土流失比較嚴重，徑流量較大。故應在黃土區通過封山育林等方式促進植被的自然恢復或通過退耕還林等方式促進植被面積的擴大，從而起到減輕水土流失的作用。

黃土區屬于干旱半干旱地區，年降雨量較少，降雨次數較少，而森林覆蓋率不高，水土流失很嚴重，是世界上水土流失最嚴重的地區之一，故研究降雨與徑流的關系非常必要。本研究認為，徑流特征是降雨及其下墊面特征的綜合反映，枯季總徑流占年總徑流量的比重可以反映下墊面對枯水期徑流的影響，劉家凹流域、井溝流域的枯季徑流深占年總徑流深的數值分別為16.2%、12.5%，說明植被對徑流量的調節控制作用顯著，可將雨季時雨水儲存而在枯季時釋放，如此就使雨季與枯季徑流量得以平衡。

大量研究表明，徑流量的大小在很大程度上取決于降雨因素。周宏飛等［22］也認為在下墊面條件一定時，降雨能否產生徑流，很大程度上取決于降雨歷時和降雨強度兩個因素。張曉明等［23］認為場降雨產流量和產沙量與降雨量呈良好的相關關系，不同地類的降雨產流產沙差異顯著。任玉芬［24］認為降雨量是影響徑流水質的重要因素，在相同污染物累積量條件下，降雨量越大，徑流中污染物濃度越低。本研究也認為，降雨量是徑流變化的主要因素之一。多林流域的斜率為0.006 8，而少林流域的斜率為0.014 2，可見少林流域的斜率明顯大于多林流域，可以認為，隨著森林覆蓋率的增加，流域對徑流的調節作用逐漸加強。

在本研究年限內，短歷時、雨量小的A型雨占總降雨次數的59.38%，占總降雨量的48.26%，為黃土高原地區的主要降雨類型。鄭芳等［25］也認為晉西黃土區雨強最大的A型雨對流域洪峰的影響最顯著，是黃土區引起侵蝕的主要降雨形式。衛偉等［26］認為在黃土丘陵溝壑區，徑流量主要受降水量、30 min最大雨強以及降水量與30 min最大雨強之積的影響。本研究認為A型雨下劉家凹流域與井溝流域降雨要素與徑流深相關系數最大的因子均為降雨量，相關系數均在0.8以上。B型雨徑流深的主要影響因子為降雨量和60 min最大雨強之積，其回歸方程的擬合度均在0.7以上。且A、B、C型雨條件下，井溝流域的平均徑流系數分別是劉家凹流域的1.5、1.9、2.0 倍，這仍然是由于植被覆蓋率所致。張建軍等［27］認為如何定量描述下墊面覆蓋、地形的變化和定量描述雨強、雨型的空間分布是水文模型構建與水文尺度轉換的關鍵。本研究認為，A型雨是黃土丘陵溝壑區的主要降雨形式，也是造成水土流失的主要降雨類型，如何減少黃土區的徑流及水土流失，是一個亟待解決的問題。

5 結論

劉家凹流域(多林流域)的年總徑流深小于井溝流域(少林流域)，后者6 a間的平均徑流深是前者的3.21倍，即森林植被覆蓋率越大，流域徑流量越小。劉家凹流域的枯季徑流深占年總徑流深的16.2%，而井溝流域的枯季徑流深占年總徑流深的12.5%，說明植被對徑流量的調節控制作用較好，可將雨季時雨水儲存而在枯季時釋放，如此就使雨季與枯季徑流量得以平衡。

降雨是徑流變化的主要因素之一，降雨量增加時，徑流量也隨之增大，二者可用線性關系來描述;且相同降雨量條件下，井溝流域的徑流深明顯大于劉家凹流域的徑流深，且降雨量越大，徑流深增長也越快。隨著森林覆蓋率的增加，流域對徑流的調節作用逐漸加強。在蔡家川小流域中，主要雨型為A型短時局地雷暴雨，A型降雨條件下劉家凹流域徑流深的主要影響因子為降雨量、降雨量和60 min雨強的組合(乘積)，而影響半農半牧流域徑流深的因子主要為降雨量;B型降雨條件下兩流域的徑流深均與降雨量和60 min最大雨強的組合(乘積)相關性較大。

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